摘要
由北京探矿工程研究所牵头的国家重大科学仪器设备开发专项“超高温高压钻井液流变仪的研发及产业化”历时5年，成功研发了Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪，实现了高温320 ℃、低温-10 ℃和高压220 MPa条件下的高精度粘度测量，主要技术指标达到国际先进水平，打破了国外高端钻井液流变仪的技术垄断，填补了国内空白。该产品可以模拟真实的高温高压环境，实时测定钻井液、压裂液、凝胶堵漏剂、黄原胶等不同样品的粘度随温度、压力和剪切速率的变化规律，可以真实地测定样品在高温高压环境下的流变性，可以克服传统滚子炉热滚法测试样品导致测试的性能指标虚高的弊端，避免井下事故的发生。在国内某新型清洁能源钻探等项目进行了应用，为多家单位的油基、水基钻井液和高温堵漏凝胶等不同样品提供了精确的测试技术服务。
钻井液被业界称为钻井工程的“血液”，可见钻井液对于钻井工程的重要性。钻井液流变性是指钻井液在外力作用下变形或流动的特性，是钻井液具有的一系列特性中最为重要的特性之一，主要由粘度来反
高温高压会对钻井液流变性产生较大影响，主要包括高温分散和絮凝作用、高温降解和解吸作用、高温交联作用等。高温所引起的钻井液性能变化可归纳为不可逆变化和可逆变化两个方面，前者可以用滚子炉对钻井液进行滚动老化，然后冷却到室温，评价其经高温之后的性能变化；后者则需要使用专门的高温高压流变仪进行测试和评价。钻井液高温高压流变性直接影响钻速、泵压、排量、悬浮及携带岩屑、井眼清洁、井壁稳定、压力波动及固井质量等，下井前对其进行测试非常必
在浅层矿产和资源逐步开发殆尽的背景下，国内外钻井深度逐年增加，深达7~8 km的深井已司空见惯，井下温度可以达到240~260 ℃甚至更高，井下压力可以达到40~60 MPa，这种高温高压环境对钻井液的耐高温高压性能提出了更高的要
近年来，海域中丰富的天然气水合物和油气资源引起了世界各国的高度关注。在钻开水下海床的过程中，存在着天然气水合物分解和再结晶的可逆过程。在低温高压条件下，天然气水合物在钻井液循环管路中再结晶会导致钻井液循环通道被堵塞，引起井下事故。为避免这种情况的发生，需要在钻井液体系中加入防止天然气水合物在钻井液管路中特定的温度和压力条件下再结晶的助
在高原冻土区和南北极低温区进行钻探，钻井液必然面临低温环境的考
为了满足上述对钻井液在极端条件下的流变性测试需求，需要一种能够模拟超高温高压和低温高压环境的高性能流变仪。高端高温高压钻井液流变仪长期由美国等西方国家垄断，价格昂贵，维护成本高。通过自主创新研制国产超高温高压流变仪，满足国内深井高温高压钻探需求，对于从总体上提升我国高端钻井液测试仪器的研究能力和制造水平，降低钻探成本，提高我国深井和超深井钻探能力和话语权具有重要的现实意义。
鉴于潜在的巨大市场需要，由北京探矿工程研究所牵头，联合中国石油大学（北京）、沈阳工业大学、大连钰霖电机有限公司和青岛海通达专用仪器有限公司向科技部申报了国家重大科学仪器设备开发专项“超高温高压钻井液流变仪的研发及产业化”，并于2013年4月正式获批。项目组经过5年的潜心研发，先后攻克了超高温高压及低温高压测控、超高温高压耐酸碱盐腐蚀测试腔加工、低温快速冷却、非接触式转速驱动、非接触式高精度粘度测量等技术难题，设计了中英文在线自由切换测控软件系统，成功研发生产出5台“Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪”，实现了高温320 ℃、低温-10 ℃和高压220 MPa下的高精度粘度测量。项目先后通过了科技部组织的技术验收和综合验收，成果就绪度达到了8级（最高9级）。
如
图1 直读式粘度测量原理
这个转过的角度可以通过人眼读取刻度盘上读数获取。也可以通过与内筒转动轴相连的传感器将转动角度变换成电信号传递给自动检测电路进行自动检测，如
图2 带传感器的粘度测试原理
按照相关样品的测试规范，通过测量样品在不同转速下（如600、300、200、100、6、3 r/min）的剪切应力值，就可计算出不同模式（如卡森、宾汉、幂律等模式）下流变特性参数，从而评价样品的不同流变特
如果要进行高温高压测试，则必须要将内筒、外筒和样品密闭起来，并且要实现外筒的转动和对内筒转过的角度进行测量，如
图3 传统高温高压粘度测试原理
由于在高温（低温）及高压条件下，要想保持加压控温腔内的压力，就要求上下密封与连接杆之间要有足够的压力和良好的润滑，但是由于常规的各种密封圈（包括可耐高温的氟橡胶密封圈和聚四氟密封圈）在高温和高压条件下，一转动起来，很快就会由于磨损而损坏，难以克服高温（低温）、高压和动态旋转三重因素之间的矛盾，导致密封圈的寿命极短，转不了多长时间，密封圈就会被损坏而无法继续保持压力，导致仪器无法继续进行高温高压测试。
为了提高高温高压动态密封圈的使用寿命，有些仪器采用了多重密封技术，即在加温控压腔与连接杆之间加装了多套耐高温性能优良的密封装置，在一定程度上延长了更换密封装置的间隔周期，但并没有从根本上解决动密封圈寿命短、需要经常更换的问题。
为了进一步提高高温高压动态密封装置的使用寿命和使用的温度、压力范围，国外有的公司设计使用了如
图4 带自膨胀功能的动态密封圈
图5 带自膨胀功能的动态密封圈工作原理
总之，由于高温高压动态旋转三重作用，传统的动态密封圈的接触面快速磨损，做不了多少个实验就需要更换动态密封圈，费时费力费钱。
如何才能从根本上彻底解决高温高压动态密封寿命短的问题？答案只有一个，将动态密封变为静密封。
如
图6 高温高压非接触式转速驱动和非接触式粘度测量原理
利用磁耦合技术，项目组创新研发了外环强力磁耦合旋转驱动装置和非接触式精密粘度测量装置，并将两者组合成一套完整的高精度粘度测量系统，从根本上消除了以往传统设计中采用的动态密封寿命短和精密控制难等问题，样品可以测试的最高温度和压力得到了极大提升。
由于钻井液体系中含有各种具有腐蚀性的材料，在高温高压条件下，其腐蚀性更会成倍增长。所以，本项目研发了能耐酸碱盐腐蚀的超高温高压测试腔。
由于哈氏合金不但具有优良的耐腐蚀特性，而且在高温高压条件下变形小，承压能力强，所以选用哈氏合金加工超高温高压测试腔。
高温高压测试腔主体由泥浆杯、中间体、上端帽3部分组成，3部分之间采用梯形螺纹副联结。
耐高温高压测试腔的螺纹在测试时需要承受巨大的载荷，测试后又需要快速方便地开启。普通的粗牙螺纹自锁性能与抗剪切性能较好，但其抗拉强度和耐磨性不够，难以满足本项目超高温高压测度腔的使用需求。
本项目选用了改进形的梯形螺纹，如
图7 改进后的梯形螺纹牙形
项目成功研发生产的5台“Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪” 产业化样机，通过了可靠性测试，无故障工作累计时长超1000 h，具有良好的准确性和稳定性，并进行了2次异地测试，包括中海油服油田化学研究院（河北省三河市燕郊镇）和荆州嘉华科技有限公司（湖北省荆州市），成功实现在高温高压（320 ℃、220 MPa）及低温高压（-10 ℃、220 MPa）条件下的流变性能测试。
目前，项目研究成果已实现了科技成果转化。使用项目研发的“Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪”，先后为中国地质大学（北京）、中国石油大学（北京）、长江大学化学与环境工程学院、南开大学、沙克（天津）石油技术服务有限公司、荆州长大石油科技有限公司、北京石大博诚科技有限公司、北京佛瑞克油田化学技术有限公司、国锐环境工程技术服务有限公司等国内10多家单位的油基、水基钻井液和凝胶堵漏样品提供了测试技术服务，2020年在国内某新型清洁能源钻探现场对入井钻井液随时进行检测，确保钻井安全高效。同时，先后有3台Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪被中海油能源发展工程技术公司湛江分公司、中石油西部钻探公司和一家民企订购。超高温高压流变仪产品实物如
图8 Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪实物
2020年，应用项目自主研发的“Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪”对200 ℃、50 MPa模拟环境下多个钻井液样品的超高温高压流变性进行了现场测试。
从
（a） 塑性粘度随温度的变化曲线
（b） 表观粘度随温度的变化曲线
图9 国内某新型清洁能源钻探现场钻井液
塑性粘度和表观粘度测试结果
从
使用传统的滚子炉热滚法来评价被测样品的耐温特性的测试过程大致为：首先在常温常压下测定样品的特性（如流变性、滤失性、润滑性等），然后将样品加入高温老化罐中，加压后放在高温滚子炉里进行多个小时的热滚（如150 ℃，滚动16 h）。热滚后，将老化罐放凉到室温后，将老化罐拧开，将样品取出，测定样品热滚后的特性。通过将样品热滚前和热滚后测定的结果进行比对，来判断样品耐温的特性。
这种热滚法测定样品的耐温特性有一定的局限性，因为两次测试都是在常温常压条件下测试的，用的是一种外推法。从
所以，对于深井和超深井，由于井下存在着高温高压环境，样品或钻井液在下井之前，使用高温高压流变仪对其进行测试和评价就很有必要，避免井下事故的发生，提高钻井的效率和安全
应用自主研发的“Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪”，在中国石油大学（北京）对其研制的有土相白油基钻井液进行了高温高压流变性测试，测试得到的粘温曲线如
图10 有土相白油基钻井液粘温曲线
之前，高温凝胶随温度的变化过程及起凝点的测定一直没有一种直观、精确的测定方法。在“Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪”研发成功后，中国石油大学（北京）用此流变仪对其研制的一种高温凝胶进行了粘度随温度变化规律和起凝点进行了精确测定，如
图11 在一定温度下形成的堵漏用凝胶样品
如
图12 应用超高温高压流变仪测试温度和剪率参数对粘度的影响
此外，“Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪”还可应用于对超高温地热井井温的测量和校正研究中。研究人员应用超高温高压流变仪对井下温度与压力进行了真实模拟，对水银留点温度计在不同温度、压力条件下的温度飘移进行了测试研究，摸清了留点温度计温度漂移随深度（环境压力）变化的相关规律。
如
图13 水银留点温度计
图14 水银留点温度计读值差值与压力的线性关系
长期以来我国高端流变仪主要依赖进口，这些进口仪器价格昂贵，售后维修周期长、费用高，在一定程度上制约了我国超深钻探的发展。由北京探矿工程研究所牵头研发成功的“Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪”可以实现真实地模拟高温高压环境，实现了对样品实时高温高压和低温高压测试，各项性能指标达到了国际先进水平，打破了国外高端钻井液流变仪的技术和产品垄断，可以提升我国超深钻探的能力和水平。
使用“Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪”实时测试样品的流变性，可以从根本上克服传统滚子炉热滚法测试样品可能导致测试的性能指标虚高的缺陷，从而可以避免井下事故的发生。
“Super HTHP Rheometer 2018超高温高压流变仪”研发成功后，为国内10多家单位的油基、水基钻井液和高温堵漏凝胶等不同样品提供了精确的测试技术服务，科技成果实现了良好的转化，为评价和优选深井、超深井高温高压钻井液体系，确保安全、高效钻探提供了可靠的测试手段。
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